Giải SGK Vật Lí 10 (Cánh diều) Bài 4: Chuyển động biến đổi

Giải Vật Lí 10 Bài 4: Chuyển động biến đổi

Mở đầu trang 32 Vật Lí 10: Để điều tra các vụ tai nạn giao thông đường bộ, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, dựa trên cơ sở của nhiều ngành khoa học, đặc biệt là cơ sở vật lí.

Người ta thử nghiệm trên bề mặt đường với các loại ô tô khác nhau để tìm gia tốc của ô tô trong khoảng cách dừng lại (khoảng cách từ lúc bánh xe không quay mà chỉ trượt trên mặt đường đến khi dừng lại). Dựa vào các vết trượt mà bánh xe để lại trên đường, dùng các công thức mô tả chuyển động, có thể suy ra được người lái xe có đi quá tốc độ cho phép khi gây tai nạn giao thông.

Họ đã dựa vào những công thức nào để suy ra được điều này?

Lời giải:

Người ta sử dụng công thức: $v^2-v_0^2=2as$ để xác định tốc độ của người lái xe.

Trong đó:

+ v₀ (m/s) là tốc độ trước khi phanh xe.

+ v = 0 (m/s) là tốc độ khi xe dừng lại

+ s (m) là quãng đường (độ dài vết trượt) trên mặt đường.

+ a (m/s²) là gia tốc của ô tô.

I. Công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều

Luyện tập 1 trang 33 Vật Lí 10: Một chiếc ô tô có gia tốc trong khoảng cách dừng lại là -7,0 m/s². Ước tính khoảng cách dừng lại nếu lúc bắt đầu trượt ô tô này đang chạy ở tốc độ 108 km/h.

Lời giải:

Đổi đơn vị: 108 km/h = 30 m/s

Lúc đầu ô tô đang chạy với tốc độ: v₀ = 30 m/s

Khi dừng lại vận tốc của ô tô bằng v = 0 m/s.

Thời gian từ lúc ô tô bắt đầu trượt đến khi dừng lại:

$t=\frac{v-v_0}{a}=\frac{0-30}{-7}=\frac{30}{7}s$

Do ô tô chuyển động thẳng và không đổi hướng nên quãng đường từ lúc bắt đầu trượt đến khi dừng lại bằng độ dịch chuyển tương ứng:

$d=\frac{v+v_0}{2}.t=\frac{0+30}{2}.\frac{30}{7}=\frac{450}{7}\approx 64,3m$

Khi đó khoảng cách dừng lại gần bằng 64,3 m.

Vận dụng 1 trang 35 Vật Lí 10: Tại hiện trường vụ tai nạn trên một con đường, cảnh sát phát hiện vết trượt kéo dài 50 m. Thử nghiệm trên mặt đường này cho thấy loại ô tô đó có gia tốc trong khoảng cách dừng lại -6,5 m/s2. Biết tốc độ cho phép loại ô tô này chạy trên đường đó là 90 km/h. Ô tô này có chạy quá tốc độ cho phép không?

Lời giải:

Gọi vận tốc từ lúc xe bắt đầu trượt là v₀.

Khi dừng lại xe có vận tốc v = 0 m/s

Áp dụng công thức:

$a=\frac{v^2-v_0^2}{2s}\Rightarrow -6,5=\frac{0^2-v_0^2}{2.50}\Rightarrow v_0=25,5m/s\approx 92km/h$ > 90 km/h

Chứng tỏ xe này đã chạy vượt quá tốc độ cho phép (tốc độ cho phép 90 km/h).

II. Đo gia tốc rơi tự do

Thực hành trang 36 Vật Lí 10:

Dụng cụ

Bộ dụng cụ đo gia tốc rơi tự do gồm:

(1) Nam châm điện                   (2) Viên bi thép

(3) Cổng quang điện                 (4) Công tắc điều khiển

(5) Đồng hồ đo thời gian           (6) Giá

Tiến hành

Bước 1: Lắp các dụng cụ thành bộ như hình 4.7.

+ Đặt bi thép dính vào phía dưới nam châm

+ Nhấn công tắc cho bi thép rơi

+ Đọc số chỉ thời gian rơi trên đồng hồ

+ Lặp lại thao tác với các khoảng cách từ vị trí vật bắt đầu rơi đến cổng quang điện khác nhau.

Bước 2: Hãy so sánh kết quả tính bằng số liệu đo được trong thí nghiệm mà em đã tiến hành với kết quả tính bằng số liệu ở bảng 4.2

Bảng 4.2. Khoảng cách và thời gian rơi của vật

Bước 3: Tính gia tốc trung bình của vật rơi tự do và sai số cực đại trung bình của phép đo.

Áp dụng phương trình $s=v_{o}t+\frac{1}{2}a{t}^2$ cho một vật có vận tốc ban đầu bằng không, rơi tự do với gia tốc g, ta được biểu thức gia tốc $g=\frac{2s}{t^2}$

Trong đó, t là trung bình cộng của ba thời gian rơi cho mỗi khoảng cách s.

Viết kết quả: $g=\overline{g}\pm \Delta g$

Lời giải:

Tham khảo bảng kết quả dưới:

Bảng 4.2. Khoảng cách và thời gian rơi của vật

Xử lí kết quả:

+ Quãng đường s = 0,400 m

Thời gian rơi trung bình: $\overline{t}=\frac{t_1+t_2+t_3}{3}=\frac{0,285+0,286+0,284}{3}=0,285s$

Gia tốc trong lần đo 1: $g_1=\frac{2s}{t_1^2}=\frac{2.0,4}{0,{285}^2}=9,849m/s^2$

Gia tốc trong lần đo 2: $g_2=\frac{2s}{t_2^2}=\frac{2.0,4}{0,{286}^2}=9,780m/s^2$ 

Gia tốc trong lần đo 3: $g_3=\frac{2s}{t_3^2}=\frac{2.0,4}{0,{284}^2}=9,919m/s^2$ 

Gia tốc trung bình: $\overline{g}=\frac{g_1+g_2+g_3}{3}=\frac{9,849+9,780+9,919}{3}=9,849m/s^2$ 

Sai số tuyệt đối của gia tốc:

$\Delta g_1=\left|\overline{g}-g_1\right|=\left|9,849-9,849\right|=0$ (m/s²)

 $\Delta g_2=\left|\overline{g}-g_2\right|=\left|9,849-9,780\right|=0,069$ (m/s²)

$\Delta g_3=\left|\overline{g}-g_3\right|=\left|9,849-9,919\right|=0,070$ (m/s²)

Sai số tuyệt đối trung bình: $\overline{\Delta g}=\frac{\Delta g_1+\Delta g_2+\Delta g_3}{3}=0,046$  (m/s²)

Kết quả: $g=9,849\pm 0,046$  (m/s²)

+ Ứng với các quãng đường khác thực hiện phép tính tương tự.

Vận dụng 2 trang 37 Vật Lí 10: Đề xuất phương án và đo gia tốc rơi tự do với bộ dụng cụ: giá, bi thép, nam châm điện, 2 cổng quang điện, công tắc điều khiển, đồng hồ đo thời gian hiện số.

Đánh giá sơ bộ nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả trong thí nghiệm.

Lời giải:

- Dụng cụ

Bộ dụng cụ đo gia tốc rơi tự do gồm:

(1) Nam châm điện                   (2) Viên bi thép

(3) Cổng quang điện                 (4) Công tắc điều khiển

(5) Đồng hồ đo thời gian           (6) Giá

- Tiến hành

Bước 1: Lắp các dụng cụ thành bộ như hình dưới.

+ Đặt bi thép dính vào phía dưới nam châm

+ Nhấn công tắc cho bi thép rơi

+ Đọc số chỉ thời gian rơi trên đồng hồ

+ Lặp lại thao tác với các khoảng cách từ vị trí vật bắt đầu rơi đến cổng quang điện khác nhau.

Bước 2: Hãy so sánh kết quả tính bằng số liệu đo được trong thí nghiệm mà em đã tiến hành với kết quả tính bằng số liệu ở bảng dưới

Bảng 2.2. Khoảng cách và thời gian rơi của vật

Bước 3: Tính gia tốc trung bình của vật rơi tự do và sai số cực đại trung bình của phép đo.

Áp dụng phương trình $s=v_{o}t+\frac{1}{2}a{t}^2$ cho một vật có vận tốc ban đầu bằng không, rơi tự do với gia tốc g, ta được biểu thức gia tốc $g=\frac{2s}{t^2}$

Trong đó, t là trung bình cộng của ba thời gian rơi cho mỗi khoảng cách s.

Viết kết quả: $g=\overline{g}\pm \Delta g$

- Nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả đo:

+ Thao tác thực hiện chưa dứt khoát.

+ Đồng hồ không nhạy.

+ Bố trí các dụng cụ chưa chuẩn, giá lắp không thẳng…

+ Yếu tố môi trường: gió, …

III. Chuyển động của vật bị ném

Câu hỏi 1 trang 38 Vật Lí 10: Quãng đường rơi theo phương thẳng đứng và chuyển động theo phương nằm ngang của quả bóng thứ hai trên hình 4.8 được ghi ở bảng 4.3.

Sử dụng số liệu ở bảng 4.3 vẽ đồ thị với trục thẳng đứng là khoảng cách theo phương thẳng đứng, trục nằm ngang là khoảng cách theo phương nằm ngang. Chọn chiều dương hướng thẳng đứng xuống dưới và từ trái sang phải.

- Hình dạng đồ thị này giống hình dạng đồ thị nào đã học?

- Mô tả chuyển động của quả bóng này.

Lời giải:

- Dạng đồ thị này giống hình dạng đồ thị của một nhánh prabol.

- Mô tả chuyển động của quả bóng:

+ Quả bóng thứ nhất rơi theo phương thẳng đứng, quả bóng thứ hai được đẩy sang bên phải theo phương ngang. Hai quả bóng rơi đồng thời và chạm đất cùng một lúc.

+ Thời gian rơi theo phương thẳng đứng của quả bóng thứ nhất bằng thời gian của quả bóng thứ hai.

Câu hỏi trang 40 Vật Lí 10: Ném vật theo phương thẳng đứng thì độ cao của vật lớn nhất. Nếu ném vật theo phương ngang thì tầm xa của vật lớn nhất không?

Giả thuyết của bạn về điều kiện ném vật để đạt tầm xa (hoặc độ cao) lớn nhất là gì?

Lời giải:

Nếu ném vật theo phương ngang thì tầm xa của vật không lớn nhất. Vật bị ném xiên từ dưới lên mới có tầm xa lớn nhất.

Giả thuyết về điều kiện ném vật để đạt tầm xa (hoặc độ cao) lớn nhất là: Độ cao và tầm xa của vật bị ném phụ thuộc vào góc giữa vận tốc ban đầu và phương nằm ngang.

Xem thêm lời giải bài tập SGK Vật lí lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 2: Đồ thị độ dịch chuyển theo thời gian. Độ dịch chuyển tổng hợp và vận tốc tổng hợp

Bài 3: Gia tốc và đồ thị vận tốc–thời gian 

Bài tập chủ đề 1

Bài 1: Lực và gia tốc

Bài 2: Một số lực thường gặp